CN101561975B - 钢球上下磁悬浮及运动控制实验装置 - Google Patents

Abstract

一种钢球上下磁悬浮及运动控制实验装置，底座上设上端装有上盖的支柱，支柱上端外侧和上盖下表面设一圈外部固定有辅助钢球固定套的辅助钢球，辅助钢球固定套的上端与上盖联接，下悬浮钢球或铁球位于支柱的外侧、环形排列辅助钢球的下方，上盖上设限位外圈和限位内圈，悬浮用永久磁体设在限位外圈与限位内圈之间，控制用永久磁体水平设在与内圆圈相切的内圆圈内侧，限位外圈与限位内圈之间、悬浮用永久磁体的上方至少设1个安装在顶盖上的塑料管，塑料管内装有上悬浮钢球设在限位外圈与限位内圈之间中部，中心轴穿过上盖的中心孔、下端设置在底座上，中心轴的外部设非磁性的套管、上端设在连杆上，手柄穿过连杆与控制用永久磁体联接。

Description

钢球上下磁悬浮及运动控制实验装置

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及到钢球的排斥上悬浮和钢球的吸引磁悬浮运动实验装置。

背景技术

磁悬浮列车是利用车体与轨道之间的磁力抵消地球引力，通过直线电机的驱动，实现列车在轨道上的悬浮运行。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点，是一种具有广阔前景的新型交通工具，磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，利用电磁铁与轨道之间的电磁吸力将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右，其速度可达每小时400～500公里。超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，利用超导磁体产生的强磁场，在列车运行时与安装在地面上的线圈相互作用，产生电磁斥力将列车悬起，悬浮高度一般为100～150毫米左右，运行速度可达每小时500公里以上。常导磁悬浮系统是以电磁力实现悬浮、导向和驱动功能的，其控制系统相当复杂。超导磁斥型磁悬浮列车需要复杂的低温冷却系统，操作不便，运行成本也很高。

然而，利用高温超导磁悬浮原理制作的磁悬浮列车模型已有报道，其中我国西南交通大学研制的列车是世界上第一辆载人高温超导磁悬浮实验车系统。此高温超导磁悬浮实验车采用高温超导块材与轨道之间的电磁吸力将列车悬起，在液氮温度条件下(77K)，可以连续工作超过6小时，悬浮总重量530公斤，可载5人，悬浮净高度23毫米，稳定性较好，悬浮刚度较高。该“车”的永磁导轨到长15.5米，用直线电机推进，加速度1米/秒²，它是迄今为止世界上悬浮重量最大的载人“高温超导磁悬浮实验车”。但是这辆高温超导磁悬浮实验车制造工艺复杂，耗资大，而且形体巨大，不能普及到一般的高校实验室和展览馆，因此很多人无法亲眼看到列车运行的演示。

形体较小的超导磁悬浮列车演示装置目前国内已有报道，例如申请人所在的课题组，北京同方辰源科技发展中心的THP-1型超导磁悬浮演示装置，北京英纳超导技术有限公司的高温超导磁悬浮演示装置，北京特运科技有限公司的超导磁悬浮车演示模型等。这些模型装置都是利用超导体的抗磁性使高温超导体悬浮在永磁轨道上。THP-1型超导磁悬浮演示装置是一台高临界温度超导体磁悬浮列车物理课堂演示装置，该装置为一个盛放高温度超导体的列车模型，在具有磁束缚的封闭磁轨道上方悬浮，或在磁轨道下方倒挂“悬挂”，并可在旋转磁场加速装置作用下，沿着长度约为1.7米的封闭磁轨道，以悬浮或倒挂状态无摩擦地连续运转。高温超导磁悬浮演示装置是一种适用于大、中、小学的物理学课堂演示，科技馆以及少年宫等单位的展示、教学用超导教学仪器。申请人所在的课题组研制的超导磁悬浮车演示模型，综合了超导、仪表、电子、低温、磁路设计、直线电机原理、自动控制等方面的知识，可以加强学生对现代科技的认识并激发其对高新技术的兴趣。超导磁悬浮车演示模型由环形轨道和超导小车模型组成，轨道由铁环和吸附在其上的钕铁硼(NdFeB)永久磁铁材料构成，当钇钡铜氧(YBCO)超导材料被冷却到液氮温度时，车体就可以稳定地悬浮在轨道上方。此时只要沿轨道方向给车体一个很小的推动力，悬浮车就将沿轨道延伸方向运动。如果轨道磁场非常均匀(没有磁阻尼的理想状态)，且车体在封闭的真空环境中运动，车的运动速度将不会衰减。目前，已有的小型高温超导磁悬浮实验车模型能够让人们在感知此类现象的同时，让老师、学生和广大群众了解与超导磁悬浮列车系统相关的各种技术。这种小型高温超导磁悬浮实验车模型也需要用液氮，由于液氮并不是在任何地方都有，即就是有，每次做实验还得去买，因此对该类实验装置的普及尚有难度，特别是在偏远地区。

在大专院校物理课的教学中，当前迫切需要解决的一个技术问题是提供一种结构简单、体积小、实验条件容易实现、成本低、演示直观的磁悬浮教学实验演示仪器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述电磁悬浮和超导磁悬浮装置的缺点，提供一种结构简单、体积小、演示直观、演示效果好、常温下进行实验的钢球上下磁悬浮及运动控制实验装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置上端装有上盖的支柱，支柱上端外侧和上盖的下表面设置有一圈外部固定有辅助钢球固定套的环形排列的辅助钢球，辅助钢球固定套的上端与上盖联接，下悬浮钢球或铁球位于支柱的外侧、环形排列的辅助钢球的下方，在上盖上表面设置有与上盖同轴心的限位外圈和限位内圈，悬浮用永久磁体设置在限位外圈与限位内圈之间，控制用永久磁体水平设置在与内圆圈相切的内限位内圆圈的内侧，并与限位内圈的内侧相切，限位外圈与限位内圈之间、悬浮用永久磁体的上方至少设1个安装在顶盖上的塑料管，塑料管位于内装有上悬浮钢球设置在限位外圈与限位内圈之间的中部，塑料管内装有上悬浮钢球，中心轴穿过上盖的中心孔、下端设置在底座上，中心轴的外部设置非磁性的套管、上端设置在连杆上，手柄穿过连杆与控制用永久磁体联接；限位外圈的外径与支柱的外径相同，限位外圈与支柱为圆筒形结构，且限位外圈与支柱为同一中心轴、或限位外圈的椭圆长轴和短轴与支柱的椭圆长轴和短轴相同，限位外圈与支柱为椭圆筒形结构，且限位外圈与为同一中心轴；限位外圈与限位内圈的间距与悬浮用永久磁体的外直径相等，上盖的形状与支柱的形状相同，限位外圈、限位内圈、支柱及上盖为非导磁构体。

本发明的控制用永久磁体为圆环体或圆柱体形结构。

本发明的悬浮钢球和辅助钢球为实心钢球或空心钢球。。

本发明将永久磁体与钢球对磁场影响结合在一起，在常温情况下，实现了钢球的上磁悬浮、钢球下磁悬浮及其运动控制，不需要任何自动控制电路以及控制器，结构简单紧凑，降低了磁悬浮实验装置的成本，扩大了其应用范围。本发明具有设计合理、结构简单、体积小、演示直观、演示效果好等优点，可作为物理实验教学和实验演示的仪器，用于高等学校、中学、少年宫、科技馆等进行与磁悬浮相关的演示和实验。

附图说明

图1是本发明实施例1的主视图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是图2的A-A剖视图。

图5是图3的B-B剖视图。。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1～5中，本实施例的钢球上下磁悬浮及运动控制实验装置由上悬浮钢球1、手柄2、塑料管3、顶盖4、悬浮用永久磁体5、限位外圈6、上盖7、辅助钢球固定套8、支柱9、底座10、辅助钢球11、下悬浮钢球12、中心轴13、连杆14、控制用永久磁体15、限位内圈16、套管17、垫圈18、中心轴套19联接构成。

在底座10上用螺纹紧固联接件固定联接有支柱9，本实施例的底座10为圆盘形结构，支柱9为圆筒形结构，支柱9用非导磁材料有机玻璃制成，也可用其它非导磁材料制成，如塑料，胶木，木质材料，玻璃钢等。在支柱9上端安装有上盖7，本实施例的上盖7为圆盘形结构，上盖7为有机玻璃非导磁材料，也可用其它非导磁材料制成，如塑料，胶木，木质材料，玻璃钢等。上盖7为圆盘形结构，上盖7的半径大于支柱9的半径。在支柱9上端外侧和上盖7的下表面用胶粘接有一圈辅助钢球11，辅助钢球11排列成圆环状，辅助钢球11为实心钢球，辅助钢球11的外部安装有辅助钢球固定套8，辅助钢球固定套8用于防止辅助钢球11掉落。辅助钢球固定套8的上端用胶与上盖7下表面粘接。下悬浮钢球12位于支柱9的外侧、环形排列辅助钢球11的下方，距离固定在上盖7下面的辅助钢球11有一定距离。

本实施例的悬浮用永久磁体5、控制用永久磁体15的形状为圆环形结构。在上盖7的上表面用环氧树脂粘接有与上盖7同一中心轴的限位外圈6和限位内圈16，限位外圈6的外壁与支柱9的直径相同且共轴，限位外圈6和限位内圈16为圆筒形结构，限位外圈6和限位内圈16用有机玻璃非导磁材料制成，也可用其它非导磁材料制成，如塑料，胶木，木质材料，玻璃钢等。在限位外圈6与限位内圈16之间放置有悬浮用永久磁体5，限位外圈6与限位内圈16的间距与悬浮用永久磁体5的外直径相等，限位内圈16内放置有控制用永久磁体15，控制用永久磁体15水平放置在内圆圈16的内，控制用永久磁体15与内圆圈16的内侧相切，悬浮用永久磁体5可以在限位外圈6和限位内圈16之间沿着上盖7自由运动。在限位外圈6与限位内圈16之间、悬浮用永久磁体5的上方用环氧树脂粘接固定有顶盖4，顶盖4为圆环形结构，顶盖4上部装有2个塑料管3，顶盖4为有机玻璃非导磁材料制成，也可用其它非导磁材料制成，如塑料，胶木，木质材料，玻璃钢等，塑料管3为圆管形，位于限位外圈6与限位内圈16之间中部，塑料管3内放置有上悬浮钢球1。上悬浮钢球1为实心钢球。中心轴13穿过上盖7的中心孔、下端安装在底座10上，中心轴13与上盖7之间、与底座10之间安装有中心轴套19。本实施例的悬浮钢球9和辅助钢球8为实心钢球，也可采用空心钢球，也可采用实心铁球，还可采用空心铁球。

在中心转轴13的上部装有非磁性的套管17，中心转轴13的上端插入连杆14内端的孔内，手柄2的下端穿过连杆14的另一端用螺纹紧固联接件垫圈18固定在控制用永久磁体15上，转动手柄2，使控制用永久磁体15沿着限位内圈16的内侧面在上盖7的表面绕中心转轴13作圆周运动，在磁力的作用下，悬浮用永久磁体5跟着控制用永久磁体15在限位外圈6与限位内圈16限定的轨道内沿上盖7的上表面绕中心轴13作圆周运动。

悬浮用永久磁体5在限位外圈6和限位内圈16限定的轨道内沿上盖7的上表面绕中心轴13作圆周运动时，上悬浮钢球1就会悬浮在空中、跟着悬浮用永久磁体5和控制用永久磁体15作圆周运动，上悬浮钢球1实现悬浮运动，由于悬浮用永久磁体5下方的排列成圆环状的辅助钢球11之间呈现凹凸分布状态，导致在辅助钢球11下方磁场分布呈周期性变化，下悬浮钢球12刚好处于辅助钢球11正下方时，下悬浮钢球12与辅助钢球11下表面之间的间距较大，下悬浮钢球12刚好处于两个辅助钢球11间隙正下方时，下悬浮钢球12与辅助钢球11下表面之间的间距较小，间距的变化使得当悬浮用永久磁体5、控制用永久磁体15沿着圆周方向滚动或滑动时，上悬浮钢球1、下悬浮钢球12做如下方式的运动：

下悬浮钢球12在悬浮的情况下随着悬浮用永久磁体5、控制用永久磁体15的运动作波浪式的圆周运动，下悬浮钢球12也在自转，实现下悬浮钢球12的稳定悬浮和悬浮运动。同时当悬浮用永久磁体5、控制用永久磁体15的内孔刚好与塑料管3相对时，塑料管3中的上悬浮钢球1向上跳起，并稳定地悬浮在空中，实现上悬浮钢球1上悬浮；当悬浮用永久磁体5、控制用永久磁体15的圆孔偏离塑料管3，上悬浮钢球1自动落下。在永久磁体5、控制用永久磁体15转动的过程中，上悬浮钢球1作周期性的跳起或下落。

实施例2

在本实施例中，悬浮用永久磁体5为圆柱形。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。这种结构的悬浮用永久磁体5在上盖7上运动时，下悬浮钢球12或铁球可稳定地悬浮在悬浮用永久磁体5的正下方，悬浮用永久磁体5运动到与塑料管3同轴时，上悬浮钢球1则不会悬浮起来。

实施例3

在本实施例中，支柱9的横截面、底座10、上盖7、限位外圈6、限位内圈16的形状为椭圆形，限位外圈6椭圆长轴和短轴与支柱9椭圆长轴和短轴相同，限位外圈6椭圆长轴和短轴与支柱9椭圆长轴和短轴相同且为同一中心轴的椭圆筒形结构，限位外圈6与限位内圈16的间距与悬浮用永久磁体5的外直径相等。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，在顶盖4上部装有1个塑料管3，塑料管3内装有上悬浮钢球1。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

Claims (3)

1.一种钢球上下磁悬浮及运动控制实验装置，其特征在于：在底座(10)上设置上端装有上盖(7)的支柱(9)，支柱(9)上端外侧和上盖(7)的下表面设置有一圈外部固定有辅助钢球固定套(8)的环形排列的辅助钢球(11)，辅助钢球固定套(8)的上端与上盖(7)的下表面联接，下悬浮钢球(12)或铁球位于支柱(9)的外侧、环形排列的辅助钢球(11)的下方，在上盖(7)上表面设置有与上盖(7)同轴心的限位外圈(6)和限位内圈(16)，悬浮用永久磁体(5)设置在限位外圈(6)与限位内圈(16)之间，控制用永久磁体(15)水平设置在限位内圈(16)的内侧，并与限位内圈(16)的内侧相切，限位外圈(6)与限位内圈(16)之间、悬浮用永久磁体(5)的上方至少设1个安装在顶盖(4)上的塑料管(3)，塑料管(3)位于限位外圈(6)与限位内圈(16)之间的中部，塑料管(3)内装有上悬浮钢球(1)，中心轴(13)穿过上盖(7)的中心孔、下端设置在底座(10)上，中心轴(13)的外部设置非磁性的套管(17)、上端设置在连杆(14)上，手柄(2)穿过连杆(14)与控制用永久磁体(15)联接；限位外圈(6)与支柱(9)为圆筒形结构，限位外圈(6)的外径与支柱(9)的外径相同，且限位外圈(6)与支柱(9)为同一中心轴、或限位外圈(6)与支柱(9)为椭圆筒形结构，限位外圈(6)的椭圆长轴和短轴与支柱(9)的椭圆长轴和短轴相同，且限位外圈(6)与支柱(9)为同一中心轴；限位外圈(6)与限位内圈(16)的间距与悬浮用永久磁体(5)的外直径相等，上盖(7)的形状与支柱(9)的形状相同，限位外圈(6)、限位内圈(16)、支柱(9)及上盖(7)为非导磁构体。

2.按照权利要求1所述的钢球上下磁悬浮及运动控制实验装置，其特征在于：所说的控制用永久磁体(15)为圆环体或圆柱体形结构。

3.按照权利要求1所述的钢球上下磁悬浮及运动控制实验装置，其特征在于：所说的上悬浮钢球(1)、下悬浮钢球(12)和辅助钢球(11)为实心钢球或空心钢球。

Images